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ch:cp

In questo capitolo indicheremo con ξ un fibrato principale, con spazio totale P, base M e gruppo strutturale G.

2.1. La distribuzione verticale

sec:13.1

All’azione di G su P associamo le applicazioni

eq:22.0.1

eq:22.0.1 (2.1.1) `σ: G 3 a −−−−−→ σ · a ∈ P, per ogni σ ∈ P,

eq:22.0.2

eq:22.0.2 (2.1.2) Ra: P 3 σ −−−−−→ σ · a ∈ P, per ogni a ∈ G.

Indicando con Laed Rale tralsazioni a sinistra e a destra in G, abbiamo `σ◦ La= `σa,

Ra◦`σ= `σa◦ ad(a−1). Infatti

`σ(La(x))= `σ(ax)= σ · (ax) = (σa) · x = `σa(x),

Ra(`σ(x))= `σ(x) · a= σxa = (σa)ad(a−1)(x)= `σa◦ ad(a−1)(x). Definizione 2.1.1. Indichiamo con

(2.1.3) V(P)= {X ∈ X(P) | dπ(σ)(Xσ)= 0, ∀σ ∈ P} la distribuzione verticale su P e con

(2.1.4) V P=[

σ∈P{Xσ| X ∈ V(P)} ⊂ T P il corrispondente fibrato verticale.

La V(P) `e totalmente integrabile, in quanto la π : P → M definisce una foliazione globale di V(P). In particolare, `e

eq:22.0.3

eq:22.0.3 (2.1.5) [V(P), V(P)] ⊂ V(P).

Ogni X ∈ g definisce un gruppo a un parametro di diffeomorfismi di P:

eq:22.1.3

eq:22.1.3 (2.1.6) R 3 t−→Rexp(tX)∈C

(P, P).

Definizione 2.1.2. Il suo generatore infinitesimale X? si dice il campo fondamen-taleassociato a X.

Osservazione 2.1.3. Se ξ `e il fibrato banale G → {p0}, allora il campo fondamen-tale X?coincide con il campo invariante a sinistra Xsu G.

Notazione 2.1.4. Indichiamo con λσ : g → TσP il differenziale nell’identit`a dell’applicazione `σ: G 3 a → σ · a ∈ P.

Lemma 2.1.5. Per ogni X ∈ g, `e X?∈ V(P) ed

eq:1329

eq:1329 (2.1.7) Xσ?= λσ(X), ∀σ ∈ P.

Dimostrazione. Le curve integrali t → σ·exp(tX) di X?sono verticali e quindi X? `e verticale. Risulta poi

X?σ = d dt t=0σ · exp(tX) = d dt t=0`σ(exp(tX))= d`σ(e)(X). 

prop:12.2.2 Proposizione 2.1.6. Con le notazioni introdotte sopra, abbiamo:

02 (1) ∀σ ∈ P, λσ= d`σ(e) : g 3 X → Xσ?∈ VσP `e un isomorfismo lineare.

03 (2) La P × g 3 (σ, X) → X?σ ∈ V P `e un’equivalenza di fibrati vettoriali. In particolare V P `e trivializzabile.

04 (3) LaΛ : g 3 X → X?∈ V(P) `e un monomorfismo di algebre di Lie.

05 (4) Vale la formula

eq:14.1.y

eq:14.1.y (2.1.8) dRa(X?)= [Ad(a−1)X]?, ∀a ∈ G, ∀X ∈ g.

06 (5) La distribuzione V(P) `e il sotto-C(P)-modulo generato dai campi di vettori X?, al variare di X in g.

Dimostrazione. (1). Poich´e l’azione di G su P `e libera, l’applicazione λ0202 σ `e iniettiva. `E anche un isomorfismo, perch´e VσPe g hanno la stessa dimensione.

La (2) `e conseguenza della (0303 1). Per (0202 02021),Λ `e iniettiva. I campi Xsu G ed X?su Psono `σ-correlati per ogni σ ∈ P. Questo implica cheΛ `e anche un omomorfismo di algebre di Lie, completando la dimostrazione del punto (3). La formula (0404 eq:14.1.yeq:14.1.y2.1.8) si ottiene dalla

Ra(σ · exp(tX))= σ · (exp(tX)a) = σ · a · (a−1exp(tX)a)= (σ · a) · exp(Ad(a−1)X), che dimostra come la traslazione Ra trasformi il flusso generato da X? nel flusso generato da [Ad(a−1)X]?. Infine, la (5) segue dalla (0606 3).0404  Sia σ ∈ P. Per la Proposizione 2.1.6, per ogni vettore verticale w ∈ Vprop:12.2.2prop:12.2.2 σP vi `e un unico elemento X dell’algebra di Lie g di G tale che X?σ = w. Questa corrispondenza definisce un’applicazione

eq:14.1.13

eq:14.1.13 (2.1.9) ωv: V P → g

di classeC

ed R-lineare sulle fibre di VP.

Diremo quindi che la ωv `e una forma differenziale sulla distribuzione verticale V P, a valori nell’algebra di Lie g.

Per la (2.1.8), la ωeq:14.1.yeq:14.1.y vsoddisfa

(2.1.10) (Ra)ωv= ad(a−1) ◦ ωv ∀a ∈ G.

Per semplificare le notazioni, sar`a a volte conveniente scrivere Xa invece che dRa(X), per X ∈ T P, a ∈ G, σA invece che λσ(A), per σ ∈ P, A ∈ g,

2.2. IL CONCETTO DI CONNESSIONE PRINCIPALE 31 aA invece che dLa(A), per a ∈ G, A ∈ T G.

2.2. Il concetto di connessione principale

Definizione 2.2.1. Una connessione principaleΓ su ξ `e il dato di una forma diffe-renziale ω ∈Ω1(P, g) (la sua forma di Cartan) che soddisfi le:

ω(A?)= A per ogni A ∈ g, (1)

Raω= Ad(a−1)ω ∀a ∈ G, cio`e (2)

ω((Ra)(X))= Ad(a−1)(ω(X)) ∀X ∈ X(P). (20)

Per ogni punto σ ∈ P, la la composizione

(2.2.1) TσP 3 Xσ −−−−−→ ω(Xω σ) ∈ g −−−−−→ [ω(Xλσ σ)]?σ∈ VσP definisce una proiezione di TσPsu VσP.

Il nucleo di questa proiezione `e la distribuzione orizzontale

(2.2.2) HP= {v ∈ T M | ω(v) = 0}.

Indichiamo con

(2.2.3) H (P) = {X ∈ X(P) | Xσ ∈ V P, ∀σ ∈ P} lo spazio dei campi orizzontali, cio`e delle sezioniC di H M.

La distribuzione orizzontale di una G-connessione affine Γ `e caratterizzata dalle propriet`a: TσP= VσP ⊕ HσP, ∀σ ∈ P eq:22.0.1p eq:22.0.1p (10) (Ra)(HσP)= Hσ·aP, ∀σ ∈ P , ∀a ∈ G. eq:22.0.1s eq:22.0.1s (20)

Sia HP un sottofibrato vettoriale di T P che verifichi le (eq:22.0.1peq:22.0.1p10) e (2eq:22.0.1seq:22.0.1s0). Indichia-mo con prh e prv le proiezioni sulla componente orizzontale e sulla componente verticale, corrispondenti alla decomposizione (eq:22.0.1peq:22.0.1p10):

eq:1324 eq:1324 (2.2.4) T P prv ||zzzzzz zz prh ""E E E E E E E E V P HP.

Si verifica immediatamente che la forma ω ∈ Ω1(P, g), definita da

eq:yyyyy

eq:yyyyy (2.2.5) ω(X)= ωv(prv(X)), ∀X ∈ T P.

`e la forma di Cartan di una connessione principaleΓ su ξ ed abbiamo quindi la1: Proposizione 2.2.2. La ω ←→ HP= Sσ∈Pker ω(σ) definisce una corrisponden-za biunivoca tra le connessioni principali Γ su ξ ed i sottofibrati HP di T P che

soddisfano le condizioni(10) e (20). 

1

La definizione della connessione a partire dalla distribuzione orizzontale `e dovuta a Char-les Ehresmann: Les connexions infinit´esimaChar-les dans un espace fibr´e diff´erentiable, Colloque de Toplogie, Bruxelles, (1950), pp. 29-55.

La caratterizzazione di una connessione principale mediante la sua distribuzio-ne orizzontale ci d`a facilmente:

prop:13.2.3 Proposizione 2.2.3 (estensione). Sia ξ0 = (P0 π0

−−→ M) un sottofibrato principale di ξ, con la stessa base M e gruppo strutturale G0⊂ G. Indichiamo conı : P0,→ P l’inclusione. Per ogni connessione principaleΓ0 su ξ0, con forma di Cartan ω0, vi `e un’unica connessione principaleΓ su ξ, la cui forma di Cartan ω soddisfi

(2.2.6) ω0 = ıω.

Dimostrazione. Indichiamo con H0P0 il fibrato orizzontale della connessio-ne Γ0

. Poich´e H0P0 `e invariante per le traslazioni a destra mediante elementi di G0, abbiamo Ra1Hσ0

1P = Ra2H0σ

2P se σ1, σ2 ∈ P0, a1, a2 ∈ G e σ1a1 = σ2a2. L’applicazione

P0× G 3 (σ, a)→σ · a ∈ Pξ

`e surgettiva. Per l’osservazione precedente, possiamo allora definire il fibrato orizzontale HP della connessioneΓ ponendo

Hσ·aP= (Ra)(H0σP0), ∀σ ∈ P0, ∀a ∈ G.

Chiaramente HP `e univocamente determinato da H0P0, verifica le condizioni (10) e (20), e definisce quindi un’unica connessione principaleΓ su ξ, la cui forma di

Cartan ω estende quella diΓ0. 

Osservazione 2.2.4. Viceversa, `e possibile restringere la connessione principale Γ su ξ ad una connessione principale Γ0 sul sottofibrato ξ0 se, e soltanto se, la restrizione a V0P0 della sua forma di Cartan ω `e a valori nell’algebra di Lie g0 di G0.

Teorema 2.2.5 (esistenza). Ogni fibrato principale ammette una connessione prin-cipale.

Dimostrazione. Siano ξ = (P −−→ M) un fibrato principale con gruppo strut-π turale G ed ωG ∈Ω1(G, g) la forma di Maurer-Cartan di G. Fissiamo un atlante di trivializzazione {(Uα, σα)} di ξ ed indichiamo con

eq:22.3.5

eq:22.3.5 (2.2.7) Ψα : Uα× G 3 (p, a)→σα(p) · a ∈ π−1(Uα)

le corrispondenti trivializzazioni locali. Per ogni indice α, sia prα,G : Uα× G → G la proiezione sul secondo fattore. Allora la ω0α= Ψα∗prα,GωG ∈Ω1−1(Uα), g) `e la forma di Cartan di una connessione principale su ξ|.

Fissiamo una partizione dell’unit`a {χα} su M subordinata al ricoprimento {Uα} e definiamo

ω=X

αχα0α ∈Ω1(P, g),

ove le forme (πχα0α si intendono estese con la forma nulla fuori dell’aperto π−1(Uα). Si verifica facilmente che ω `e la forma di Cartan di una connessione

2.4. IL FIBRATO DELLE CONNESSIONI PRINCIPALI 33 2.3. Pullback di una connessione principale

Sia ξ0 = (P0 π0

−→ M0) un altro fibrato principale, con gruppo strutturale G0, ed f : P0 → P un’applicazione differenziabile che induca un morfismo di fibrati principali2. Allora, se ω `e la forma di Cartan di una connessione principaleΓ su ξ, la sua immagine inversa ω0 = fω `e la forma di Cartan di una connessione principaleΓ0su ξ0, che si dice il pullback della connessioneΓ.

In particolare, se N `e un’altra variet`a differenziabile ed f ∈ C

(N, M), defi-niamo il pullback fξ= (Pf πf −−→ N) ponendo Pf = {(y, σ) ∈ N × P | π(σ) = f (y)}, πf : Pf 3 (y, σ) −→ y ∈ N.

Otteniamo cos`ı un un fibrato principale su N, con gruppo strutturale G, per l’azione (y, σ) · a= (y, σ · a), ∀(y, σ) ∈ Pf, ∀a ∈ G.

La f si rialza ad un morfismo ˜f di fibrati G-principali ˜

f : Pf 3 (y, σ) −→ ˜f(y, σ)= σ ∈ P.

Se ω `e la forma di Cartan di una connessione principaleΓ su ξ, allora la ˜fω ∈ Ω1(Pf, g) `e la forma di Cartan di una connessione principale fΓ su fξ.

2.4. Il fibrato delle connessioni principali

Sia ξ= (P−−π→ M) un fibrato principale, con gruppo strutturale G. Il differen-ziale della proiezione π definisce un fibrato differenziabile Tξ = (T P−−−→ T M), la cui fibra tipica `e G × g, ove g `e l’algebra di Lie di G. Possiamo associare ad ogni sezione σ di ξ, definita su un aperto U di M, la trivializzazione locale

Ψσ : T U × G × g 3 (v, a, X) −→ (dσ(v)) · a+ (σ a) Ad(a−1)(X) ∈ T P|−1(T U). Il differenziale dell’azione a destra di G su P definisce un’azione di G su T P, che preserva le fibre di T ξ. Infatti, da π= π ◦ Ra, otteniamo che dπ= dπ ◦ dRa, per ogni a ∈ G.

Indichiamo con Cξ il quoziente di T P rispetto a questa azione: due vettori X, Y ∈ T P definiscono lo stesso elemento di Cξse Y = Xa = dRa(X), per qualche a ∈ G. Il quoziente Cξ`e una variet`a differenziabile e il diagramma commutativo

T P $ // DDD""D D D D D D Cξ dπξ }}{{{{{{ {{ T M. definisce un fibrato vettoriale Cξ

dπξ

−−−−→ T M con fibra tipica g.

2Esistono cio`e una f0 C∞

(M0, M) ed una φ ∈ Hom(G0, G) tali che π ◦ f = f0 ◦π0

ed f ◦R0

a= Rφ(a)◦ f , per ogni a ∈ G0

Una trivializzazione locale (Uα, σα) di ξ ci permette di definire una sezione Ψα: T Uα× g 3 (X, A) −→ dσα(X)+ A?σα ∈ T P

del fibrato T P−−−→ T M. Compondendola con la proiezione nel quoziente ottenia-mo una trivializzazione locale

T Uα× g 3 (X, A) −→ $ ◦Ψα(X, A) ∈ dπ−1(T Uα)= Cξ T Uα.

Componendo con la proiezione sulla base, Cξ `e lo spazio totale di una fibrato vettoriale su M

ρ: Cξ−→ M, con fibra tipica Rm⊕ g. Abbiamo3:

Teorema 2.4.1. Le connessioni principali su ξ sono in corrispondenza biunivoca con le sezioniΓ : T M → Cξdel fibrato Cξ−−−→ T M tali che

T M Γ // pr !!C C C C C C C C Cξ ρ ~~~~~~~~ ~~ M sia un morfismo di fibrati vettoriali su M.

In questa corrispondenza, la distribuzione orizzontale `e caratterizzata da

eq:174a

eq:174a (2.4.1) HP= $−1(Γ(T M)).

2.5. Automorfismi di una connessione principale

Sia ξ un fibrato principale con una connessioneΓ, con forma di Cartan ω. Definizione 2.5.1. Un automorfismo di Γ `e un automorfismo ( ˜f, f, id) di ξ che preserva la connessione.

Abbiamo cio`e un diagramma commutativo

P ˜ f −−−−−→ P π   y      yπ M −−−−−→ f M

in cui f ∈C(M, M) `e un diffeomorfismo e la ˜f gode delle propriet`a: ˜ f(σ · a)= ˜f(σ) · a, ∀σ ∈ P, ∀a ∈ G, (i) ˜ fω= ω. (ii)

Denotiamo con Aut(Γ) il gruppo degli automorfismi di Γ.

2.6. FORME DI CHRISTOFFEL ED EQUAZIONI DI GAUGE 35 2.6. Forme di Christoffel ed equazioni di gauge

sec:14.5

Sia ξ= (P−−→ M) un fibrato principale con gruppo strutturale G.π Fissiamo su ξ una connessione principaleΓ, con forma di Cartan ω.

Sia σU ∈Γ(U, P) una sezione Cdi ξ, definita su un aperto U di M. Indichia-mo con

eq:1361

eq:1361 (2.6.1) ωU = σ

Uω= ω ◦ dσU ∈Ω1(U, g). il pullback su U di ω mediante la sezione σU.

Definizione 2.6.1. La ωU ∈ Ω1(U, g), definita dalla (eq:1361eq:13612.6.1), si dice la forma di Christoffel4della connessioneΓ nella trivializzazione locale (U, σU).

La sezione σU∈Γ(U, P) definisce la trtivializzazione locale ΨU: U × G 3 (p, a) −→ σU(p)a ∈ P|U.

Identifichiamo in modo canonico T (U × G) con il prodotto cartesiano T U × T G. Un vettore tangente ad U × G si pu`o allora descrivere come una coppia (v, Aa) con v ∈ T U, A ∈ g, a ∈ G.

lem:1329 Lemma 2.6.2. `E

eq:22.5.b2a

eq:22.5.b2a (2.6.2) Ψ

Uω= Ad(a−1U+ a−1da,

ove abbiamo indicato con a−1da la forma di Maurer-Cartan di G.

Notiamo che, nella (eq:22.5.b2aeq:22.5.b2a2.6.2) il primo addendo a secondo membro opera sui vettori di T U, il secondo su quelli di T G; `e cio`e

Ψ

Uω(v, Aa)= Ad(a−1U(v)+ A, ∀v ∈ TU, ∀A ∈ g, ∀a ∈ G. Dimostrazione. Con le notazioni introdotte alla fine di §sec:13.1sec:13.12.1, abbiamo

U = dσU· a+ σU· da. `

E poi

ω(dσU(v)a)= Ad(a−1)ω(dσU(v))= Ad(a−1U(v), ∀v ∈ T U, ∀a ∈ G, ω(σU· da(A))= ω(σUA)= ω(A?)= A, ∀A ∈ g, ∀a ∈ G.

Da queste relazioni ricaviamo la (2.6.2).eq:22.5.b2aeq:22.5.b2a  Sia ora A = {(Uα, σα)} un atlante di trivializzazione di ξ. Poniamo per semplicit`a

ωα = σ

αω, ω˜α = Ψ αω

per indicare le forme di Christoffel delle trivializzazioni locali dell’atlante e i pull-back ˜ωαdella forma di Cartan mediante le trivializzazioni locali

Ψα: Uα× G 3 (p, a) −→ σα(p)a ∈ P|.

4Elwin Bruno Christoffel (10/11/1829, Montjoie, ora Monschau (villaggio tedesco vicino ad Aquisgrana e alla frontiera belga) - 15/3/1900 Strasburgo) matematico e fisico tedesco. Ha lavo-rato su applicazioni conformi, teoria del potenziale, teoria degli invarianti, analisi tensoriale, fisica matematica, geodesia e onde d’urto. Oltre ai simboli di Christoffel, sono note le applicazioni di Schwarz-Christoffel, mappe conformi dei poligoni semplici sul semipiano superiore.

Notazione 2.6.3. Siano5ψα,β = σ−1

α σβ ∈ C(Uα,β, G) le funzioni di transizione dell’atlanteA . Per ogni coppia di indici α, β per cui Uα,β, ∅ indichiamo con

eq:22.4.2

eq:22.4.2 (2.6.3) θα,β= ψ

α,βωG = ψ−1

α,βα,β∈C(Uα,β, g)

il pullback della forma di Maurer-Cartan ωG = a−1dadi G mediante la funzione di transizione ψα,β.

Vale il seguente:

Teorema 2.6.4. SianoA = {(Uα, σα)}α∈I un atlante di trivializzazione di ξ, con funzioni di transizione {ψα,β = σ−1

α σβ∈C(Uα,β, G)}, ed{ωα∈Ω1(Uα, g)}α∈Iuna famiglia di forme differenziali, definite sugli aperti Uαdell’atlanteA , ed a valori in g. Allora:

(1) Vi `e al pi`u una connessione principaleΓ su ξ di cui le {ωα} siano le forme di Christoffel di Γ rispetto alle trivializzazioni locali dell’atlante A . (2) Condizione necessaria e sufficiente affinch´e le {ωα} siano le forme di

Christoffel di una connessione principale Γ su ξ `e che siano verificate le ωβ= Ad(ψ−1

αβα+ ψ−1

α,βα,β su Uα,β (equazioni di gauge).

eq:cop.2.c

eq:cop.2.c (2.6.4)

Dimostrazione. L’unicit`a segue dal Lemma2.6.2, in quanto, per (lem:1329lem:1329 eq:22.5.b2aeq:22.5.b2a2.6.2), le ˜ωα sono determinate dalle ωα e a loro volta determinano univocamente le restrizioni di ω agli aperti P|.

Per dimostrare la seconda affermazione, baster`a verificare che le equazioni di gauge esprimono una condizione necessaria e sufficiente affinch´e risulti

eq:cop14

eq:cop14 (2.6.5) Ψα∗ω˜α= Ψβ∗ω˜β su P|Uα,β

e quindi le {Ψα∗ω˜α} si rincollino e definiscano una forma di connessione ω su P. Le (eq:cop14eq:cop142.6.5) sono equivalenti a

eq:cop15

eq:cop15 (2.6.6) (Ψ−1

α Ψβ)ω˜α= ˜ωβ su Uα,β× G.

Indichiamo con (p, b) il punto generico in Uβ× G e con (p, a) il punto generico di Uα× G. Allora

Ψ−1

α Ψβ(p, b)= (p, σα(p)−1σβ(p) b)= (p, ψα,β(p)b), ∀p ∈ Uα,β, ∀a ∈ G e b= ψ−1

α,β(p)a= ψβ,αa. Abbiamo quindi (Ψ−1 α Ψβ)ω˜β= (Ψ−1 α Ψβ)(Ad(b−1β+ b−1db) = Ad([ψβ,αa]−1)(Ad(ψ−1α,βα+ ψ−1 α,βα,β)+ [ψ−1 β,αa]−1((dψβ,α)a+ ψ−1 β,αda) = Ad(a−1α+ Ad(a−1)[(dψα,ββ,α+ ψα,ββ,α]+ a−1da.

Poich´e ψα,βψβ,α = eG, `e [(dψα,ββ,αα,ββ,α]= 0. Otteniamo cos`ı l’uguaglian-za (Ψ−1

α Ψβ)ω˜β= ˜ωα. La dimostrazione `e completa.  5Indichiamo con Uα1,...,αhl’intersezione Uα1∩ · · · ∩ Uαh.

2.8. SOLLEVAMENTO ORIZZONTALE DI CAMMINI E TRASPORTO PARALLELO 37 Osservazione 2.6.5. Identificando T (Uα× G) al prodotto cartesiano T Uα× T G, possiamo descrivere il pullback su Uα × G della distribuzione orizzontale su P mediante

eq:13613

eq:13613 (2.6.7) Ψ

αHσα(p)a= {Xp− [ωα(Xp)]a| Xp∈ TpM}, ∀p ∈ Uα, ∀a ∈ G. 2.7. Sollevamento orizzontale di campi di vettori

Sia assegnata una connessione principaleΓ su ξ, con forma di Cartan ω. Per ogni σ ∈ P l’applicazione

(2.7.1) HσP 3 Xσ−→dπ(σ)(Xσ) ∈ Tπ(σ)M `e un isomorfismo lineare. La sua inversa

(2.7.2) hσ: Tπ(σ)M−→HσP

ci permette di definire l’applicazione

cop.1.4

cop.1.4 (2.7.3) h : X(M) 3 X−→ ˜X ∈H (P), con ˜Xσ= hσ(Xπ(σ)), ∀σ ∈ P.

Definizione 2.7.1. Il campo ˜X ∈ X(P) `e il sollevamento orizzontale di X ∈ X(M). Si verifica facilmente che vale il seguente :

Proposizione 2.7.2. Condizione necessaria e sufficiente affinch´e ˜X ∈ X(P) sia il sollevamento orizzontale di X ∈ X(M) `e che siano soddisfatte le due condizioni:

ω( ˜X)= 0, eq:cop.i eq:cop.i (i) dπ( ˜X) = X. eq:cop.ii eq:cop.ii (ii)

Queste due propriet`a implicano che:

(Ra)( ˜X)= ˜X ∀a ∈ G .

eq:cop.iii

eq:cop.iii (iii)

Il sollevamento orizzontale(2.7.3) `e un’applicazione R-lineare che soddisfa:cop.1.4cop.1.4 h( f X)= π ( f ) ˜X, ∀ f ∈C (M) , ∀X ∈ X(M), (a) dπ([ ˜X, ˜Y])) = [X, Y], ∀X, Y ∈ X(M) .  (b)

Osservazione 2.7.3. Il commutatore del sollevamento orizzontale a P di due cam-pi di vettori su M `e invariante rispetto alle traslazioni a destra, soddisfa cio`e la propriet`a (eq:cop.iiieq:cop.iiiiii), ma pu`o non essere orizzontale, non soddisfare cio`e la (eq:cop.ieq:cop.ii).

2.8. Sollevamento orizzontale di cammini e trasporto parallelo

sec:14.14

Indichiamo conC1

tr([0, 1], M) l’insieme delle curve di classeC1a tratti in M. Proposizione 2.8.1 (Sollevamento orizzontale dei cammini). Siano γ ∈C1

tr([0, 1], M) eσ0 ∈ P, conπ(σ0) = γ(0). Allora esiste un unico cammino ˜γσ0 ∈C1

tr([0, 1], P), tale che eq:22.4a.1 eq:22.4a.1 (2.8.1)                  ˜γσ0(0)= σ0, π ◦ ˜γσ0(t)= γ(t), ∀t ∈ [0, 1], d±˜γσ0(t) dt ∈ HP, ∀t ∈ [0, 1].

Dimostrazione. Possiamo limitarci al caso in cui γ ∈ C1([0, 1], M). Poich´e il fibrato ξ `e localmente banale, esiste senz’altro una curva γP∈C1([0, 1], P) tale che

       γP(0)= σ0, π ◦ γP(t)= s(t), ∀t ∈ [0, 1]. Cerchiamo allora la ˜γσ0 nella forma

˜γσ0(t)= γP(t) · a(t), con a ∈C1([0, 1], G). Poich´e d˜γσ0(t) dt = ˙γP (t)a(t)+ γP (t)˙a(t), la condizione che ˜γσ0 sia orizzontale si pu`o riscrivere mediante

0= ω d ˜γσ0(t) dt

!

= ω(˙γP(t)a(t))+ ω(γP(t)˙a(t))= ω(dRa(t)( ˙γP))+ ωG(˙a(t)) = Ad(a(t)−1) ◦ ω( ˙γP)+ a(t)−1˙a(t). La a(t) deve essere quindi soluzione dell’equazione

˙a a−1= ω(˙γP).

Per la Proposizione1.3.10, quest’equazione ammette una ed una sola soluzione, eprop:fp.1.1prop:fp.1.1 quindi anche la (eq:22.4a.1eq:22.4a.12.8.1) ha una ed una sola soluzione.  Definizione 2.8.2. L’unica soluzione ˜γσ0 di (eq:22.4a.1eq:22.4a.12.8.1) si dice il sollevamento orizzon-taledi γ a partire dal punto σ0.

Sia γ ∈C1

tr([0, 1], M).

Definizione 2.8.3. Il trasporto parallelo lungo γ, `e l’applicazione

eq:22.4a.2

eq:22.4a.2 (2.8.2) τγ : Pγ(0) 3σ −→ ˜γσ(1) ∈ Pγ(1).

Vale la seguente:

prop:22.4a.2 Proposizione 2.8.4. Il trasporto parallelo gode delle seguenti propriet`a:

(1) Per ogni γ ∈C1 tr([0, 1], M) la τγ: Pγ(0)→Pγ(1) `e invertibile e6 τ−1 γ = τγ−1. eq:22.4a.4 eq:22.4a.4 (2.8.3) Inoltre τγ(σ · a)= (τγ(σ)) · a, ∀σ ∈ Pγ(0), ∀a ∈ G. eq:22.4a.3 eq:22.4a.3 (2.8.4) (2) Se γ, γ1, γ2∈C1 tr([0, 1], M) e7γ = γ1·γ2, allora eq:22.4a.3 eq:22.4a.3 (2.8.5) τγ = τγ2 ◦τγ1.

6Indichiamo con γ−1la curva γ−1(t)= γ(1 − t).

7Ricordiamo che γ1·γ2(t)= γ1(2t) se 0 ≤ t ≤ 1 2, γ2(2t − 1) se 1 2 ≤ t ≤ 1.

2.9. IL GRUPPO DI OLONOMIA 39 2.9. Il gruppo di olonomia

sec:13.9

Notazione 2.9.1. Per ogni punto p ∈ M indichiamo conL (p) lo spazio dei laccetti in p, di classe8C1a tratti. Ogni elemento γ diL (p) definisce un elemento [γ] del gruppo fondamentale π1(M, p) di M con punto base p. Denotiamo con L0(p) l’insieme dei laccetti γ con [γ]= 0.

Fissata una connessione principaleΓ su ξ = (P −−→ M), il trasporto paralleloπ associa ad ogni laccetto γ ∈L (p) un’applicazione τγdella fibra Ppin s´e

eq:cop.9.3

eq:cop.9.3 (2.9.1) τγ : Pp3σ −→ ˜γσ(1) ∈ Pp.

Lemma 2.9.2. Per ogni p ∈ M, l’insieme

eq:22.5.1

eq:22.5.1 (2.9.2) Φ(p) = {τγ |γ ∈ L (p)}

dei trasporti paralleli corrispondenti a laccetti di classe C1 a tratti in p `e un gruppo di permutazioni di Pp.

L’insieme

eq:22.5.2

eq:22.5.2 (2.9.3) Φ0(p)= {τγ |γ ∈ L0(p)}

dei trasporti paralleli corrispondenti a laccetti diL (p) omotopi al laccetto

co-stante `e un sottogruppo normale diΦ(p). 

Definizione 2.9.3. Chiamiamo Φ(p) gruppo di olonomia ed il suo sottogruppo normaleΦ0(p) gruppo di olonomia ristretto della connessioneΓ in p.

Ad ogni σ ∈ Pp associamo un monomorfismo del gruppo di olonomia nel gruppo strutturale mediante:

eq:cop.9.6

eq:cop.9.6 (2.9.4) ρσ:Φ(p) 3 τγ −→ a= σ−1◦ τγ(σ) ∈ G.

Definizione 2.9.4. I sottogruppi Φ(σ) = ρσ(Φ(p)) di G e Φ0(σ) = ρσ0(p)) si dicono rispettivamente gruppo di olonomia e di olonomia ristretta diΓ in σ ∈ P. Proposizione 2.9.5. Il gruppo di olonomia ristrettaΦ0(σ) `e un sottogruppo

nor-male del gruppo di olonomiaΦ(σ). 

Osservazione 2.9.6. Consideriamo in P la relazione di equivalenza “∼” che identi-fica due elementi σ1, σ2∈ P se `e possibile trovare una curva orizzontale, di classe C1a tratti, con punto iniziale σ1e punto finale σ2. Allora

(2.9.5) Φ(σ) = {a ∈ G | σ · a ∼ σ}.

Proposizione 2.9.7. (1) Se p ∈ M, σ ∈ Pp, a ∈ G, allora

eq:13166

eq:13166 (2.9.6) Φ(σa) = ad(a−1)(Φ(σ)), Φ0(σa)= ad(a−1)(Φ0(σ)).

8Possiamo definire i gruppi di olonomia utilizzando laccetti di classeCka tratti, per k ≥ 1. Un teorema di Nomizu e Ozeki [On the degree of differentiability of curves used in the definition of the holonomy group, Bull. Amer. Math. Soc. 68 (1962), 74-75] ci dice che diversi gradi di regolarit`a (1 ≤ k ≤ ∞) danno gli stessi gruppi di olonomia.

(2) Se σ0, σ1 ∈ P possono essere congiunti con una curva orizzontale di classeC1a tratti, allora

(2.9.7) Φ(σ1)= Φ(σ0), Φ01)= Φ00).

(3) In particolare, se M `e connesso, allora tutti i gruppi di olonomiaΦ(σ), al variare diσ in P, sono coniugati tra loro come sottogruppi di G. Dimostrazione. (1) `E ˜γσa = ˜γσae quindi

(σa)−1˜γσa(1)= a−1σ−1˜γ(1)a= ad(a−1)(σ−1˜γσ(1)), da cui segue la (2.9.6).eq:13166eq:13166

(2) Sia ˜s una curva orizzontale di classeC1a tratti che congiunga σ0a σ1 ed s= π ◦ ˜s la sua proiezione su M. Per ogni a ∈ Φ(σ0), possiamo trovare un laccetto γ ∈ L (π(σ0)) tale che ˜γσ0(1) = σ0a. La curva ˜sa `e una curva orizzontale di estremi σ0ae σ1a. Quindi la curva ( ˜sa) · ˜γσ0· ˜s−1`e una curva orizzontale che rialza il laccetto s · γ · s−1 ∈L (π(σ1)) e che congiunge σ1a σ1a. Questo dimostra che a ∈ Φ(σ1). QuindiΦ(σ0) ⊂ Φ(σ1). Ripetendo lo stesso ragionamento possiamo dimostrare anche l’inlcusione opposta. Per completare la dimostrazione del punto (2), basta osservare che s · γ · s−1∈L0(π(σ1)) se γ ∈L0(π(σ0)).

La (3) `e conseguenza immediata della (2) e della (1).  Vale9il :

thm:13244 Teorema 2.9.8. Sia ξ= (P−→ M) un fibrato principale con gruppo strutturale G,π

con base connessa, su cui abbiamo fissato una connessione principaleΓ. Sia σ0 un punto di P. Allora:

(a) Φ00) `e un sottogruppo di Lie connesso di G.

(b) Φ00) `e un sottogruppo normale diΦ(σ0) ed il quozienteΦ(σ0)/Φ00) `e al pi`u numerabile.

(c) In particolare, Φ(σ0) `e un sottogruppo di Lie di G, e Φ00) `e la sua componente connessa dell’identit`a.

Dimostrazione. Sia γ ∈ L0(p) un laccetto omotopo all’identit`a. Se F : [0, 1]× [0, 1] → M `e un’omotopia di laccetti di classe C1 a tratti di γ con il laccetto costante, allora [0, 1] 3 t → σ−10 τFt0) `e un cammino continuo in Φ00) che congiunge σ−10 τγ0) con l’identit`a. Per il teorema di Freudenthal citato nella nota, ne segue cheΦ00) `e un sottogruppo di Lie di G.

La seconda affermazione segue dal fatto che Φ00) `e un sottogruppo normale ed abbiamo un omomorfismo surgettivo

π1(M) −→Φ(σ0)/Φ00).

Poich´e M `e connesso e paracompatto, il suo gruppo fondamentale `e al pi`u

nume-rabile e da questa osservazione ricaviamo la tesi. 

9Per la dimostrazione di questo risultato, `e utile utilizzare il seguente teorema di Freudenthal [Die Topologie der Lieschen Gruppen als algebraisches Ph¨anomen I Ann. of Math. 42 (1941) 1051-1074]: Un sottogruppo H connesso per archi di un gruppo di Lie G, in cui ogni coppia di punti si possa congiungere con un arco di classeC1a tratti, `e un sottogruppo di Lie di G.

2.9. IL GRUPPO DI OLONOMIA 41 Dal Teorema2.9.8 segue subito ilthm:13244thm:13244

thm:13245 Teorema 2.9.9 (di riduzione). Sia ξ= (P−→ M) un fibrato principale con gruppoπ

strutturale G, e supponiamo M connesso e paracompatto. SiaΓ una connessione principale su ξ. Fissiamoσ0 ∈ P e sia P(σ0) l’insieme dei punti di P che possono essere congiunti aσ0da un cammino orizzontale. Allora:

(i) ξσ0 = (P(σ0) −−→ M) `e un sottofibrato principale di ξ, con gruppoπ strutturaleΦ(σ0).

(ii) La connessioneΓ su ξ si riduce ad una connessione Γ0su ξσ0. Definizione 2.9.10. Chiamiamo ξσ0 il fibrato d’olonomia per σ0.

CAPITOLO 3

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